工程力学性能-第一章工概览.ppt

3、力学状态图 在材料加载方式和环境等因素给定的条件下，希望能对可能发生的断裂类型有一个粗略的判断。由位错理论可知，切应力是位错运动的驱动力，位错运动使晶体材料产生塑性变形，位错塞积导致裂纹萌生，但正应力促使萌生裂纹扩展。如铸铁拉伸时α=0.5，表现为脆性；硬度试验时α=2，则出现压痕而不破坏。因此，材料韧脆由内部和外部因素决定，力学状态图是一种好的工具。 τS线上各点表示要发生屈服的极限应力；　τK线上各点表示要发生切断的极限应力； σK真线上各点表示要发生正断的极限应力。 第十一节　断裂的微观形貌特征 1、晶间断裂和穿晶断裂 　2、解理断裂和微孔聚合剪切断裂 　 　断裂经历裂纹的形成、扩展直至最终破断等不同阶段，而断裂过程每一阶段都与内部的、外部的、力学的、化学的以及物理的诸多因素有关，同时，断裂过程的每一阶段又会在断口上留下相应的痕迹、形貌与特征。 通过断口分析可以揭示出断裂过程的相关因素，从而判明断裂失效的性质和机理。 　断口种类很多。按断裂性质分类可以分为： 　　1、脆性断裂：单调加载，断裂前无明显的塑性变形； 　　2、韧性断裂：单调加载，断裂前有明显的塑性变形； 　　3、疲劳断裂：循环加载引起断裂； 　　4、环境促进的断裂：浸蚀性介质、单调加载慢速断裂； 　　5、高温蠕变断裂：高温单调慢速加载。 铸态IC6SX-1合金持久断口附近组织分析 (a) (b) σ σ σ (a) (b) σ σ σ 空洞 (a) (b) σ σ 　1.11.1晶间断裂和穿晶断裂 按断裂路径分类可以分为： 　1、穿晶断裂：大多数金属常温下断裂时的形态，如解理、韧窝；宏观上看穿晶断裂可以是韧性断裂也可以是脆性断裂; 　2、晶间断裂：大部分脆性断裂的形态。沿晶多是脆性断裂 　　　晶间断裂是由于晶界存在脆性沉淀相、高温晶界变弱以及在腐蚀环境下晶界被腐蚀等原因造成的，断口形貌为冰糖状（图1.35），若晶粒细则为结晶状。 　　　 1.11.2 解理断裂和微孔聚合剪切断裂 　　　 解理断裂是在拉应力作用下，沿一定结晶面分离的断裂，这种结晶面为解理面。解理面一般是低指数面，其表面能低，断裂强度最低，因此，通常在体心立方和密排六方金属中发生。 实际上晶体存在缺陷，断裂并不是沿着单一晶面解理，而是沿着一组平行的晶面解理，从而在不同的解理面之间就形成了解理台阶。从垂直断面方向观察，台阶汇合形成一种类似河流的花样。 河流的上游就是裂纹发源地，而河流的下游是裂纹扩展的方向。 解理断裂的河流花样 河流花样通过小角度倾斜晶界 通过扭转晶界时河流花样激增 在多晶体中，由于多种晶体的存在，可以使河流花样呈现复杂的形态。当裂纹通过小角度晶界时，会改变河流花样的走向而不改变花样。对于 扭转晶界或通过大角度晶界时，可以观察到裂纹穿过时河流花样激增。 颈缩试样纤维端口的形成过程 微孔聚合剪切断裂：属于韧性断裂的机制，形貌主要特征是韧窝。 在韧性断裂的颈缩过程中，三向应力在试样中心首先产生显微空洞，空洞长大后，相互连接形成可见的裂纹。由于裂纹尖端的应力集中，使得塑性变形集中在裂纹尖端前的滑移带上。在剪切带内变形强烈并形成许多显微空洞，空洞聚合造成裂纹扩展。当裂纹贯穿了整个剪切带后，在裂纹尖端又形成新的剪切带。 韧窝形貌形成的过程：由塑性变形使得夹杂物与基体的界面处首先形成裂纹并不断扩大，最后使得夹杂物之间的基体金属产生内缩颈现象，当颈缩达到一定程度后被撕裂或剪切断裂，从而使得空洞连接形成韧窝形貌。 影响韧窝形成的位置、形状、大小和深浅的因素大致有三个方面：一是成核粒子的大小和分布；二是基体材料的塑性变形能力，尤其是材料形变硬化能力；三是应力大小，应力状态、温度以及变形速度等外部因素。 准解理断裂是介于解理断裂和韧窝断裂之间的一种断裂形式。首先在不同部位同时产生许多解理裂纹核，然后按解理方式扩展成解理小平面，最后以塑性方式撕裂，与相邻的解理小平面相连，形成撕裂棱。 准解理断口与解理断口区别： 1）准解理断裂起源于晶内的空洞、夹杂物和第二相粒子，解理断裂起源于晶界或相界上。 2）裂纹传播的途径不同，准解理是由裂纹源向四周扩展，不连续，而且多是局部扩展，解理断裂是晶界向晶内扩展，表现为河流走向。 3）调质钢中准解理小平面的尺寸相当于淬火前原始奥氏体晶粒尺寸，准解理断口宏观形貌比较平齐，基本上无宏观塑性或宏观塑性变形较小，呈脆性特